一种矿用本安电源的FMEA分析研究*

杨 柳，杨瑞俊

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

0 引言

矿用本安电源作为煤矿监测监控系统中不可缺少的一种安全供电设备，直接影响到矿井监测监控系统数据采集的准确性、可靠性、稳定性，关系到矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危。由于矿井环境的特殊性，矿用本安电源必须满足较高的可靠性要求。

根据GB 3836.1-2010和GB 3836.4-2010要求，矿用本安电源应在满足本质安全防爆要求的前提下有较强的带载能力，并具备输入输出端必须电气隔离、保护隔离环节多重化、适应较大范围的电网波动、不间断供电、故障自动恢复、体积小、可靠性高等特点[1，2]。

本文通过故障模式影响分析(FMEA)的方法，分析了矿用本安电源的故障模式及其影响，给出了矿用本安电源故障模式的严酷度，并针对高严酷度的故障模式提出改进措施，以提高矿用本安电源可靠性。FMEA常用2种基本方法：功能分析法和硬件分析法，针对不同的系统选择不同的方法[3]。本文采用硬件法进行分析。

1 系统工作原理

矿用本安电源的主要功能电路：AC/DC电路、直流稳压电路、一级过压/过流保护电路、二级过压/过流保护电路。矿用本安电源结构框图如图1所示。其工作原理为：将矿用电网中的AC 127 V通过AC/DC电路将转换为直流23 V。之后通过两片集成芯片LM317进行双重稳压。再利用开关电源芯片TOP244Y和高灵敏电压比较器LM393为核心器件的过压/过流功能电路，实现两级过压和过流的保护。最终输出本安DC12V电压。

图1 原理框图

2 系统组成和层次定义

根据本安电源的结构框图，确定初始约定层次为本安电源，其最低约定层次为各结构组成，即AC/DC、直流稳压电路、两级过压/过流保护电路。因为此本安电源电路结构比较简单，故无约定层次。

本安电源的结构及层次框图如图2所示。

图2 结构及层次框图

3 严酷度定义

根据GJB/Z 1391-2006，严酷度的定义为故障模式所产生后果的严重程度[4]。本文中的严酷度指最低约定层次的各组成部分对本安电源影响的严重程度。

本安电源用于井下环境，对安全性要求很高，故在分析中，安全性不可忽视。此次分析中的严酷度定义，安全性是主要因素之一，故Ⅰ、Ⅱ 类严酷度定义，均应以安全性为准则进行。

根据标准，严酷度可定义为四级，等级数字越小，严酷度等级越高，评分越大。系统严酷度定义和评分见表1。

表1 严酷度定义及评分

4 FMEA分析

对系统进行FMEA分析，分析表格见表2。共分析电路故障模式7个，其中Ⅰ类故障模式1个、Ⅱ类故障模式1个、Ⅲ类故障模式3个、Ⅳ类故障模式2个。分析给出设计/使用补偿措施10种，分别为：检查输入电网是否正常、检查输出端连接情况、查明电路保护原因并排除故障、检查输入端接触是否良好、降低负载、检查前端电路工作情况、增加元器件筛选和工艺筛查、优化电路设计、定期检查维修。

表2本安电源FMEA分析表

序号产品或功能标志功能故障模式故障原因故障影响局部影响最终影响严酷度类别设计/使用补偿措施1AC/DC电路将交流电压输入转换成直流电压输出2直流稳压电路稳定直流电压输出3一、二级过压/过流保护电路过压时启动保护使得输出为零过流时启动保护使得输出为零不启动无输出输出电压超差无输出过压保护失效过流保护失效绝缘电阻超差无输入电压输入功率不足输出端短路电路保护输入功率不足负载过重无输入芯片损坏电路出现短路或断路元器件损坏电路出现短路或断路元器件损坏绝缘层老化不启动功能丧失Ⅲ检查输入电网是否正常检查输入端接触是否良好无输出功能丧失Ⅲ检查输出端连接情况查明电路保护原因并排故输出电压超差无影响Ⅳ检查输入端接触是否良好降低负载无输出功能丧失Ⅲ检查前端电路工作情况增加元器件筛选和工艺筛查过压保护失效跳火花Ⅰ优化电路设计增加元器件筛选和工艺筛查过流保护失效过热Ⅱ优化电路设计增加元器件筛选和工艺筛查绝缘电阻超差无影响Ⅳ定期检查维修

5 结论

本安电源在井下应用广泛，是常用设备之一，故其安全性要求高。在本安电源的设计中，采用FMEA分析方法，对电源各组成部分的故障模式进行分析，可在设计期内采取措施，避免潜在危险源，提高本安电源的安全性和可靠性。